黄河流域甘肃段河道生态需水阈值的探讨_王梓宇.pdf

第 卷 第 期 年 月水 资 源 与 水 工 程 学 报 ，收稿日期：；修回日期：基金项目：陕西省重点研发计划项目（）作者简介：王梓宇（），男，甘肃兰州人，硕士研究生，主要从事水资源调查与生态环境保护研究。通讯作者：乔晓英（），女，山西运城人，博士，教授，博士生导师，主要从事旱区地下水文过程与生态效应的教学与科研工作。：黄河流域甘肃段河道生态需水阈值的探讨王梓宇，乔晓英，安宇廷，冯泽超（长安大学 水利与环境学院，陕西 西安；旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安；西安黄河规划设计有限公司，陕西 西安）摘 要：研究河道生态需水阈值对于提升河流生态系统多样性、稳定性、持续性及河道生态需水管理具有重要意义。针对黄河流域甘肃段河流断流、水污染严重及泥沙含量高等水与生态环境问题，依据 个水文站 年的河流月径流资料，采用年内展布计算法确定生态基流量，并与自净需水量、输沙需水量按照“取大”原则整合为基本生态流量；采用逐月频率计算法确定目标生态流量。综合基本生态流量与目标生态流量分布特征，获得年内河道生态需水阈值，对其进行等级评价并分析满足程度。结果表明：年内水量较枯、较丰时段黄河干流河道生态需水阈值分别为 、；玛曲至上诠段支流分别为 、；上诠至安宁渡段支流分别为 、；安宁渡以下段支流分别为 、。河道生态需水阈值评价等级在年内水量较枯、较丰时段分别位于“一般最佳”、“很好最佳”；其满足程度在年内各个时段祖厉河、马莲河皆未超过，在水量较丰时段大通河、庄浪河未超过。研究成果对于研究区河道生态需水管理具有可操作性，可为黄河上游水源涵养及水资源优化配置提供一定的科学依据。关键词：生态需水阈值；基本生态流量；目标生态流量；动态评价；黄河流域甘肃段中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，“”，；，“”“”，；，：；研究背景根据水利部第一批重点河湖生态流量保障目标（试行），黄河干流、大通河、渭河等位列其中，加大黄河水量生态调度力度，开展河道生态需水尤其是跨省河流主要控制断面生态流量的研究，对于解决年内水量较枯、较丰时段生态用水与工农业用水矛盾，具有重要的科学与实践意义。已有诸多学者应用多种方法探讨了黄河流域河道生态需水问题。陈朋成等计算了黄河上游不同水文频率年的河道内生态需水总量；马广慧等应用逐月最小生态径流量计算法和逐月频率计算法确定了黄河干流唐乃亥、头道拐、花园口 个主要水文断面的生态径流量；黄成剑等应用 种概率分布函数拟合变异前河流月均流量序列，确定了大通河生态需水；陆建宇等通过逐月次最小值法、逐月频率计算法对比确定了洮河干流的最小、适宜生态径流；邓居礼等采用 月年保证率设定法计算祖厉河干流生态环境需水量；吴喜军等提出基流比例法，得到渭河干流宝鸡段丰、平、枯及特枯年等不同年型的生态基流量；张珈玮取基本生态环境需水、输沙需水、自净需水 项最大值与蒸发需水量相加，得到泾河流域河道生态环境需水量。需要特别提及的是潘扎荣等提出的年内展布计算法，该方法弥补了传统水文学法以多年平均径流量的特定百分率或者天然径流量频率曲线上的特定保证率进行生态需水量计算的不足，综合考虑了河流天然径流的丰、平、枯变化特征，满足了河流生态水文过程对径流的年内动态需求，并首次应用于淮河流域。河道生态需水不仅需要反映径流的季节性变化，还应该体现丰、平、枯不同水平年河道需水的变化。受降水量减少、灌溉需水以及居民用水增加等影响，平水年、枯水年河道生态需水往往难以满足。本文考虑到黄河流域甘肃段在年内不同时段生态用水与生态需水平衡的需要，从水资源三级分区的角度出发，引入年内展布计算法确定河道基本生态流量。选择黄河流域甘肃段流域面积不小于 （大通河享堂以上除外）的水资源三级分区为研究对象，各分区选取 个控制断面。在确定河流生态保护目标的基础上，计算河道基本生态流量和目标生态流量，评价年内不同时段的河道生态需水量阈值及其满足程度。研究成果可为合理构建黄河流域生态用水调度体系提供科学依据。数据来源与研究方法 研究区概况黄河流域甘肃段位于黄河流域上游，总面积，占甘肃省国土面积的 ，水资源量占甘肃省水资源总量的 ，却创造了全省的国内生产总值。黄河流域甘肃段包括大夏河、庄浪河、祖厉河及其他支流的黄河干流、洮河、湟水、渭河、泾河及北洛河 个水系，具有输送水量、稀释污染和维持生物生存等主要生态功能。研究区包含 个水资源二级分区，个水资源三级分区，个水文断面，其中控制断面 个，各水资源三级分区及水文断面分布见图。数据来源本文选用黄河流域甘肃段内 个水文断面逐月天然河川径流资料，其中 个水文断面为 年系列径流资料，其他 个水文断面径流资料起始年份不等，分别为天堂寺 年、连城 年、夏河 年、碌曲 年、下巴沟 年、红崖子 年、平凉 年、渭源 年、洪德年。河道输沙数据来自 年甘肃省水资源公报。河流生态保护目标确定黄河流域甘肃段主要支流断流状况见表。由表 中的统计数据来看，自 年以来 条主要支 水 资 源 与 水 工 程 学 报 年流年最大断流天数高达 ，并且断流河段长度、年份跨度皆有不同幅度的增长。因此，确定研究区河道生态需水首先应考虑避免河道发生断流的生态基流量。其次，按照地表水环境质量标准（）中的单因子评价法，兰州至下河沿、泾河张家山以上、渭河宝鸡峡以上 个水资源三级分区 年河流劣类水占评价河长的比例分别为 、，河流水质污染严重。另外，黄河流域甘肃段 多年平均输沙量为 ，占全省输沙总量的 ，其中兰州至下河沿、泾河张家山以上以及渭河宝鸡峡以上分区输沙量占研究区输沙总量的比例分别为、。河流泥沙含量过高导致河道淤积、萎缩严重，过流能力降低，增大了河段防洪防凌压力。因此，确定河道生态需水时还须考虑自净需水量与输沙需水量。由于黄河流域甘肃段内河水相对较深，河流水面蒸发损失水量较小，因此本文不单独计算。图 黄河流域甘肃段水资源三级分区及水文断面分布表 黄河流域甘肃段主要支流断流状况统计河流名称断流河段位置断流长度 年最大断流天数 断流年份庄浪河红崖子水文站以下（年）渭 河陇西武山（年）甘谷葫芦河口（年）泾 河平凉水文站以下（年）、河道生态需水计算方法河湖生态环境需水计算规范（）中对“基本生态流量”“目标生态流量”“生态基流量”等概念作了进一步明晰。鉴于水力学法较难满足年内径流的丰枯变化，栖息地模拟法所需河流生态资料难以收集，综合分析法计算过程复杂且需要大量专家参与，相比之下水文学法计算简便、结果可靠。因此，本文采取水文学法计算河道生态需水。河道基本生态流量计算方法 研究区河道生态需水属于非消耗型需水，河道生态基流量、输沙需水量及自净需水量属于重叠项。在整合河道基本生态需水量时采用“取大”原则，表达式如下：（，）（）式中：为河道基本生态需水量，；为生态基流量，；为自净需水量，；为输第 期 王梓宇，等：黄河流域甘肃段河道生态需水阈值的探讨沙需水量，。（）生态基流量计算。采用年内展布计算法（以下简称年内展布法）确定，依据多年年均径流量、各月最小月均径流量的年均值确定同期均值比，并以多年月均径流过程为基准计算生态基流量，其计算步骤详见文献。（）自净需水量计算。采用最枯月平均流量法确定，公式如下：（）（）式中：为自净需水量，；为第年月的平均流量，；为换算系数，取值为 ；为统计年数。（）输沙需水量计算。采用不考虑冲淤法确定，公式如下：（）（）式中：为河流输沙需水量，；为多年平均输沙量，；为最大月平均含沙量的平均值，；为第年月的月平均含沙量，；为统计年数。河道目标生态流量计算方法逐月频率计算法（以下简称逐月频率法）同时考虑生态系统对水量及其不同时段的要求，尤其是季节性的丰枯变化，因此，该方法用于确定河道目标生态流量具有一定优势和合理性。逐月频率法在划分汛期、非汛期基础上确定丰、平、枯水期，将枯水期（）、平水期（）、丰水期（）不同保证率条件下的月径流量作为河流目标生态流量。其计算步骤详见文献、。结果与分析 河道生态基流量计算结果按照水资源三级分区计算出研究区 个水文断面各月的河道生态基流量，结果见图。图 黄河流域甘肃段水资源三级分区不同水文断面各月河道生态基流量计算结果 水 资 源 与 水 工 程 学 报 年 综合图 可以看出，除大通河、庄浪河外，河道生态基流量符合从河流上游至下游逐渐增大的趋势；年内分配特征有 的断面呈单峰形态，峰值为 月，谷值出现在 翌年 月。从图（）、（）可以看出，大通河、庄浪河皆出现年内各月上游生态基流量大于下游的情况。这是因为引大入秦、引硫济金等跨流域调水工程导致连城断面年均径流量较天堂寺断面减少 ；庄浪河中下游永登县工业、农业用水量分别占用水总量的 、，挤占了生态用水，导致红崖子断面径流量严重减少。从图（）、（）、（）可以看出，黄河干流 个断面于 月出现相对低值。黄河上游径流以雨水与融雪为主要补给来源，降水变化主要受西风、东亚夏季风和南亚夏季风环流系统的共同影响，玛曲断面位于降水对径流影响最强的区域，因此玛曲断面出现低值可能与气候变化有关。其他 个断面可能与人类活动有关，是因为有 个大中型水库位于黄河干流龙羊峡至兰州段，水库的调洪拦截会对黄河径流变化产生重要影响。庄浪河武胜驿和红崖子断面谷值皆为 月和 月，尤其是红崖子断面谷值已接近零值，这与庄浪河流域水资源短缺、利用效率偏低等因素密切相关。例如流域内永登段多数灌溉设施建于 世纪 年代，建设标准低，长期运行缺乏维修和改造，并且流域内灌溉方式、耕作制度、栽培方式等方面存在问题，导致水资源浪费严重。另外，从图（）、（）可以看出，祖厉河与泾河河道生态基流量骤增骤落，最大、最小月生态基流量相差 倍，年内波动幅度较大。原因是祖厉河、泾河径流主要由大气降水补给为主，汛期降水量分别占年降水量的 与，且多以局地暴雨的形式出现，加之流域内植被稀疏，土壤侵蚀强烈、水土流失严重，导致流域内汛期洪水频发，径流量年内起伏较大。综上所述，流域内河道生态基流量受气候变化与人类活动的共同影响。自净需水量与输沙需水量计算结果图 为研究区 个断面自净需水量与输沙需水量的计算结果。河源至玛曲分区、大通河享堂以上分区及大夏河、洮河分区内的 个断面位于甘南高原区，西部呈高原草原景观，东部为高山峡谷地貌，水土保持能力较强。上述区域多年平均输沙量为 ，占黄河流域甘肃段输沙总量的，河流汛期径流即可满足输沙要求，故不单独计算输沙需水量。图 黄河流域甘肃段不同水文断面自净需水量及输沙需水量计算结果 从图 可以看出，各条河流几乎所有断面的自净需水量自上游至下游均呈现增大趋势，只有安宁渡、红崖子断面例外，这是因为兰州至安宁渡断面区间人口密度大，工业、农业、生活用水陡增，而庄浪河红崖子断面以下自产水资源量较低、水资源开发利用程度较高；从输沙需水量来看，红旗、雨落坪断面多平均输沙量分别占输沙总量的 、，但输沙需水量占比为 、。由此可以推知，多年平均输沙量越大并不代表所需输沙水量越多，计算河道输沙水量时需要考虑各条河流的水文特征和挟沙能力。河道基本生态流量整合结果根据前文 节的“取大”原则，整合河道生态基流量、自净需水量与输沙需水量计算结果，见图。由图 可以看出，在整合基本生态流量时，大夏河、泾河、渭河所有断面与上诠、碌曲、下巴沟、武胜驿断面选择自净需水量，靖远、雨落坪断面选择输沙需水量，其余断面选择生态基流量。即研究区 个水文断面中，选择生态基流量、自净需水量、输沙需水量作为基本生态流量分别占、。第 期 王梓宇，等：黄河流域甘肃段河道生态需水阈值的探讨 河道目标生态流量计算结果按照水资源三级分区计算出研究区 个水文断面各月的河道目标生态流量，结果见图。从图 可以看出，河道目标生态流量符合从上游至下游逐渐增大的趋势（图（）、（）除外）。图（）表明，黄河干流 月目标生态流量门堂断面高于玛曲断面，这是因为河源至玛曲分区河流径流量主要受气候变化影响，气候变化导致黄河源区积雪融水、冻土退化，冬季源区径流增加。从图（）可以看出，小川、红崖子断面目标生态流量比上诠、武胜驿断面年内波动幅度大。这是因为小川断面为刘家峡水库出库控制断面，其径流变化严重受水库调度的影响；庄浪河流域受人口密度及工业、农业、生活用水等因素的综合影响，水资源枯竭现象较为普遍，加之流域内洪水流量集中，历时较短，导致红崖子断面目标生态流量波动幅度较大。图 黄河流域甘肃段河道基本生态流量整合结果占比图 黄河流域甘肃段水资源三级分区不同水文断面各月河道目标生态流量计算结果 从图（）可以看出，泾河流域 月断面目标生态流量出现谷值，这与该时段农田灌溉用水量较大有关。泾河流域在 年之前建成的万亩以上灌区有 处，水库总容量为 ，建有淤地坝 座，大量的水利工程拦蓄河流及取水灌溉使农业用水量占到泾河流域多年平均径流量的。水 资 源 与 水 工 程 学 报 年 河道生态流量整合结果综合图 和图 可知，不同控制断面在反映其所在水资源三级分区的水文生态特征时具有代表性和全面性，本文后续内容将从 个控制断面探讨黄河流域甘肃段各水资源三级分区河道生态需水问题。将上述各控制断面的目标生态流量计算结果换算为年均值，并与相应断面的基本生态流量进行比较，见图。图 黄河流域甘肃段不同控制断面河道生态需水整合结果从图 可看出，研究区黄河干流玛曲、上诠、兰州、安宁渡控制断面基本生态流量范围为 ；目标生态流量范围为 。干流和支流各控制断面目标生态流量与基本生态流量相差 倍，并且从图 可以看出，部分控制断面目标生态流量年内各月份之间波动幅度较大，因此在确定河道生态需水阈值时需要综合考虑基本生态流量与目标生态流量。河道生态需水阈值确定考虑到研究区水与生态环境的实际条件，选取多年平均天然月径流量连续最大的 个月作为年内水量较丰时段，其余月份作为年内水量较枯时段。获得 个控制断面水量较丰时段为 月，水量较枯时段为 翌年 月，只有杨家坪断面推迟 个月。因黄河流域甘肃段河流输沙、自净、鱼类产卵等河流生态保护目标多在水量较丰时段完成，本文提出作为黄河上游的研究区，应适当降低年内水量较枯时段生态需水，以提高年内水量较丰时段生态需水的理念。在确定河流生态需水阈值时，年内水量较枯时段采用基本生态流量，年内水量较丰时段采用目标生态流量，分别对两个时段的计算结果求平均值，得到 个控制断面在相应时段的河道生态需水阈值，见表。表 黄河流域甘肃段不同控制断面河道生态需水阈值年内分布 控制断面 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月玛曲 连城 折桥 红旗 上诠 红崖子 兰州 安宁渡 靖远 杨家坪 雨落坪 北道 从表 可以看出，位于黄河干流的 个控制断面玛曲、上诠、兰州、安宁渡河道生态需水阈值年内水量较枯时段为 ，年内水量较丰时段为 。玛曲至上诠段支流大夏河、洮河年内水量较枯、较丰时段的河道生态需水阈值分别为 、；上诠至安宁渡段支流大通河、庄浪河、祖厉河分别为 、；安宁渡以下段支流泾河、渭河分别为 、。由此可见，由于气第 期 王梓宇，等：黄河流域甘肃段河道生态需水阈值的探讨候、水文、人类活动强度等不同因素的影响，导致研究区控制断面河道生态需水阈值差异较大。讨 论 不同时段河道生态需水阈值评价结合研究区河流的地理位置、气候条件以及生态保护目标等特征，本文对 法进行适用性修正，其中，分期修正为年内水量较枯、较丰时段。依据河湖生态环境需水计算规范（）将等级标准修正为最佳、优秀、很好、良好、一般、差与极差。通过将年内不同时段生态需水阈值与同期多年月均天然径流量相比，得到不同时段同期均值比，用修正后 法的等级标准对水资源三级分区不同控制断面河道生态需水阈值进行评价，结果见表。表 黄河流域甘肃段不同控制断面河道生态需水阈值评价结果控制断面年内水量较枯时段同期均值比 评价结果年内水量较丰时段同期均值比 评价结果玛曲 优秀最佳 最佳连城 很好优秀 最佳折桥 优秀最佳 优秀最佳红旗 很好优秀 最佳上诠 最佳 最佳红崖子 一般良好 最佳兰州 优秀最佳 最佳安宁渡 优秀最佳 最佳靖远 最佳 很好优秀杨家坪 优秀最佳 最佳雨落坪 最佳 最佳北道 优秀最佳 很好优秀 从表 可以看出，年内水量较枯时段除了红崖子控制断面评价等级位于“一般良好”，其余 个控制断面都位于“很好”以上；年内水量较丰时段有 个控制断面达到了“最佳”，其余 个控制断面位于“很好”以上，可推断不同控制断面生态需水阈值在水量较枯时段可使河流不断流，在水量较丰时段也能够使河道内输沙、自净、鱼类产卵等生态需水目标得以满足。由此可知，本文所确定的不同时段河道生态需水阈值能够满足河流生态功能区划的实际需求。河道生态需水阈值适用性分析为进一步验证本文河道生态需水阈值的适用性及合理性，选取部分计算结果与前人研究成果进行对比。赵凯云等确定杨家坪断面、雨落坪断面年生态需水量分别为 、，本文为 、，二者计算结果差异较小。王一艳等确定北道断面生态基流量推荐值为 ，本文为 （水量较枯时段）、（水量较丰时段）。分析二者产生差异的原因：一是前者将各月生态基流量计算结果的最小值作为推荐值，本文在确定生态基流量时综合考虑了汛期鱼类产卵、河道自净与输沙等生态保护目标；二是生态基流量在本文中仅是整合基本生态流量的分项之一。综合基本生态流量与目标生态流量确定的生态需水阈值，有利于年内不同时段河道需水动态评价。另外，多年径流量大致相等的不同河流，在年内水量较枯时段河道生态需水阈值却不一定相近。如折桥断面年内水量较枯时段河道生态需水阈值为 ，与其多年径流量相似的北道断面同期河道生态需水阈值为 ，说明本文所提出的河道生态需水阈值确定方法兼顾了河流径流量及区域生态环境现状的共同影响。研究成果更加有利于黄河上游水资源与生态环境保护的规划实施。河道生态需水阈值满足程度分析本文将河道生态需水阈值与逐月实测径流量的多年均值相比较，以进一步探讨其满足程度。依据水利部办公厅关于开展重要河湖生态水量调查工作的通知要求，若某月实测径流量的多年均值大于河道生态需水阈值，则认为该月河道生态水量满足需求。由此，将全年满足河道生态需水的月份数除以总月数得到年内河道生态需水阈值的满足程度，如图 所示。从图 可以看出，玛曲、上诠、兰州、安宁渡断面河道生态需水阈值在年内所有时段满足程度皆高于，说明黄河干流上游水利工程的联合调度对于保障生态用水起到至关重要的作用。在水量较枯、较丰时段连城和红崖子断面河道生态需水阈值满足程度分别为、和、；靖远和雨落坪断面满足程度分别为、和、。因此，建议大通河、庄浪河、祖厉河与马莲河在保障生活、生产用水的前提下，合理利用蓄水、引调水工程，尽快制定跨流域生态水量调度方案，以保障河湖生态系统健康与安全。水 资 源 与 水 工 程 学 报 年图 黄河流域甘肃段不同控制断面年内河道生态需水阈值满足程度 结 论本文针对黄河流域甘肃段水资源与生态环境问题，综合河道基本生态流量与目标生态流量确定河道生态需水阈值，并分析了其适用性及满足程度，主要结论如下：（）河道生态基流量符合从上游至下游逐渐增大的趋势。按照“取大”原则整合河道基本生态流量时，大夏河、泾河、渭河所有断面与上诠、碌曲、下巴沟、武胜驿共 个断面选择自净需水量，靖远、雨落坪 个断面选择输沙需水量，其余 个断面选择生态基流量。（）黄河干流及主要支流各控制断面目标生态流量与基本生态流量相差 倍，其中庄浪河红崖子断面差异最大；综合二者年内分布特征，在确定控制断面河道生态需水量阈值时，年内水量较枯时段采用基本生态流量，年内水量较丰时段采用目标生态流量。（）水资源三级分区不同控制断面河道生态需水阈值的评价等级在水量较枯、较丰时段分别位于“一般最佳”、“很好最佳”。水量较丰时段大通河、庄浪河河道生态需水阈值满足程度未超过，祖厉河、马莲河年内各个时段满足程度皆未超过，建议尽快开展大通河、庄浪河、祖厉河及马莲河的生态水量调度方案研究。参考文献：水利部 水利部关于印发第一批重点河湖生态流量保障目标的函 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